轴功率测试分析仪系统构建及软件开发开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1研究背景及意义

在对动力机械传动系统进行评价时，轴功率测量是一个必测项目。^[1]现有的扭矩测试仪有很多种，转速计也有很多种，但能实时测量轴功率的仪器设备却很少。轴功率的测试，可以了解及检验船体一主机一推进器三者之间匹配情况,同时也可对旧船船一机一桨工作状态及故障做出诊断，是测试中的一项重要环节。特别在船舶柴油机中，由于高温，风、浪及螺旋桨旋转引起的轴系振动都会影响到轴功率的测量，因此船用柴油机轴功率测量系统对稳定性和可靠性的要求更高。科技的进步也推动了测试技术的发展。轴功率测试为检验动力性能是否达到设计要求提供重要依据，它对设备能否安全、可靠的工作有着非常重要的意义。^[2]

1.2 国内外研究现状

当今对于复杂轴系的测试技术已逐步成为一门完整、独立的学科,同时它又是与传感技术、电子及计算机技术、应用数学及控制理论等相互交叉的学科。

目前轴功率测试方法常采用测量连接主机与螺旋桨的中间轴的功率的方法。轴功率的测量是通过对扭矩和转速的测量来实现的,通过计算公式将其换算成功率和力矩。对于以轴作为输出装置的柴油机来说，其轴功率N_e与输出扭矩M_e和转速n具有以下关系：

Ne=2πMen60×103≈Men9550

由此可见，只要测出了扭矩和转速，便很容易根据此式计算出轴功率^[18]。

1.2.1.转速的测量现状

轴系转速测量方法主要利用相应传感器，可实现精确测量，一般分为以下三种方法：

1.2.1.1电磁脉冲式

电磁脉冲式传感器测量转速原理是：信号盘转动时，盘齿切割传感器磁芯形成的磁场，产生磁感现象，引起传感器中线圈产生交变电压，输出脉冲信号。而脉冲信号的频率与信号盘的转速是成正比的，通过计算脉冲信号的频率和信号盘的齿数，从而得到发动机的转速。

电磁脉冲式转速测量示意图

1.2.1.2霍尔效应式

霍尔式传感器测量转速原理是：将霍尔元件放在磁场中时，在霍尔原件两侧（比如上下两面）通入与磁场垂直的电流，则在另两侧（左右两面）将产生一个霍尔电压。当信号盘旋转时，信号盘的叶轮会隔断磁场，霍尔电压则会消失，传感器会输出矩形脉冲信号。信号轮每转一圈，传感器输出信号的数量等于信号轮上缺口（或叶片）的数量，从而算出发动机转速。

霍尔效应式转速测量示意图

1.2.1.3光电式

光电式传感器原理是：当光敏原件受到光照时，工作特性会发生改变，由断路变为通路（不准确，姑且这么理解吧）。在信号盘上加工出透光孔，并在信号盘前后分别安装发光二极管和光敏原件。随着信号盘转动，当发光二极管发出的光被信号盘遮挡住时，光敏原件输出低压；当发光二极管发出的光通过透光孔照射到光敏原件时，光敏原件输出高压。通过这一变化，传感器就可以输出矩形波，从而根据波的频率算出转速。

光电式转速测量示意图

1.2.2.扭矩的测量现状

扭矩的测量由于是在旋转部件上，故常采用电测法进行转矩测量，因为这种方法可以简单可靠地将测量值传送到静止的仪器上，扭矩测量方法可通过扭矩仪测量轴系的扭转角位移或应变，从而求得轴系扭矩。或者用测功机作用力矩与测功机的反作用力矩大小相等、方向相反的原理来测量扭矩的。方式如下：^[17]

1.2.2.1应变片法

应变式扭矩仪通过应变式传感器来测量轴在扭矩作用下产生的主应变。其传感器有应变片、铁磁材料等。

1.2.2.1.1应变片式

采用应变片扭矩传感器，其主要部件是一个柱形测量体，它受到传到它上面的扭矩的扭曲作用，在外表面上产生的伸长变化则是该扭矩的度量，一般用应变片来测量该变化量。测量线路产生的输出信号经放大线路放大后或经由指示仪表测量,或者转换为数字信号输入计算机进行数据处理。

应变片式扭矩测量示意图

1.2.2.2.2磁弹式

磁弹型扭矩传感器属于应变式传感器,是根据铁磁材料的压磁效应制成的。铁磁材料的压磁效应,是指铁磁材料在外力或扭矩的作用下,内部晶格发生畸变,产生应力,使材料内部磁畴之间的界限发生移动,从而使材料的磁化强度发生相应的变化。通过检验线圈中磁通的变化,从而测量轴的扭矩。

1一传输天线；2一转速测量单元；3一扭矩测量仪；4一电池盒；5一被测轴；

6一信号线；7一显示单元；8一中央处理单元；9一信号接收器；10一应变片

KPM-P型轴功率测量系统

1.2.2.2相位差法

相位差式扭矩传感器是以长度一定的被测轴在扭矩作用下产生的扭转角度为测量对象件。弹性轴在扭矩的作用下会发生变形,其任意两个横截面会发生相对转动,从而产生一个相位角,通过测量相位角就可求得轴所受的扭矩。一般可用钢弦传感器、激光法等测量轴的相位角。

1.2.2.2.1钢弦式

在被测轴上安装精密套筒体和两个钢弦传感器，其中一个作为温度补偿。当轴受载后,两测量环朝相反方向发生一微小扭矩量,该扭矩量与施加的扭矩成正比。这样便使一根弦的机械张力及由此引起的振动频率提高，而另一个的张力及频率减小。即把扭矩的测量转换为对钢弦自振频率的测量。

1,2-套铜环；1A,1B,2A,2B-安装传感器凸台；

钢弦式测量扭矩示意图

1.2.2.2.2激光式

挪威轴功率测量仪就是采用激光来测量轴系的角位移。中央处理单元中的红外激光发射器产生的激光通过光纤传到光叉和,激光束穿过固定在轴上的编码轮和,该编码器上有按一定距离排开的齿轮,可将激光脉冲模块化,所产生的脉冲形式取决于轴的速度和扭矩。得到的信号经过光纤的传输,再经中央处理单元的信号处理,经由通讯线再传输到显示单元模拟器、显示器、电脑,就可以得到该轴的扭矩值、轴功率、转速等信息。

1,2,一编码器；3,4,5一光纤；6,7一光叉；8一中央处理单元；9一模拟器；10一显示器、；11一电脑

激光轴功率测量原理

目前，国内外常见的船舶轴功率测量仪器如下表^[17]：

1.2.3虚拟仪器的在轴功率测量中的现状

随着计算机技术的飞速发展，虚拟仪器技术正成为测量测试及控制领域一个重要的流行应用工具，而数据采集是虚拟仪器的主要功能之一，也是所有的测试和测量工作的第一步。虚拟仪器是测控技术与计算机技术相结合的产物，它由计算机、相应的硬件(如数据采集卡、输入输出卡等)和专用软件(如LabVIEW)构成。^[9]作为虚拟仪器发展的工具，LabVIEW对DA产品提供了强有力的软件支持。因此，在LabVIEW的环境中能够更容易、更方便地了解数据采集过程。目前，虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助开发者创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。而近30年来始终引领测试测量行业发展趋势的美国国家仪器有限公司的设计理念及软硬件产品，正是虚拟仪器技术的典型先进代表。只有同时拥有高效的软件、模块化犯硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势。^[9]

国内运用虚拟仪器研发的轴功率测试仪实例分析：

余永华实验室，曾做过一例：试验台架由4135Caf型柴油机、轴系和水力测功器组成。柴油机的额定功率56 kW,标定转速1 500 r/min,缸径135 mm,行程140 mm。按柴油机的负荷特性进行试验,柴油机转速为1 500 r/min,分别使用水力测功器与轴功率测试仪同时测量柴油机的轴功率。测量柴油机负载在25%, 50%, 75%, 90%和100% 5种工况下的输出轴功率，实验表明船舶轴系轴功率测量仪与水力测功器测试结果的相对误差在5%以内,满足轴功率测量精度的技术要求。

可见运用Labview的全角虚拟仪器，设计开发直观简单、硬件支持结构开发、分析方法功能较强,是智能测量仪器的发展趋势具有较高的实用价值。但在精确度，经济性以及可靠性等方面有仍有较大的发展空间。在应对复杂的工况环境以及面对实时性等更高要求下，仍有其研究价值。

2. 研究的基本内容与方案

2.1. 研究的基本内容及目标

主要研究动力机械传动系统轴功率的测量方法,开发出一套基于转速传感器和扭矩仪以及数据采集卡选型的测试分析系统,并进行实验验证方案的正确性。利用虚拟仪器开发平台lab view 设计轴功率测量系统的软件，通过对船舶推进轴系的扭矩、转速的实时采集和分析处理，实现了轴功率的动态测量，不仅能够实时显示和存储扭矩、转速和轴功率，还能够通过数据回放选择指定时间段内的测量数据生成相应的测量报告。

选定转速传感器和较先进的扭矩遥测仪,实现数据采集和处理,设计轴功率测量系统,通过实船测量,验证该系统的准确性和可靠性。^[18]

3. 研究计划与安排

第1-3周：文献资料查阅，英文资料翻译，提交开题报告

第4-8周：传感器及数据采集卡选型

4. 参考文献（12篇以上）

[1]周龙保.内燃机学（第3版）[m].机械工业出版社.2012.01.

[2]王伯雄 (编者),王雪 (编者), 陈非凡 (编者).工程测试技术（第2版）[m].清华大学出版社.2012.10.

[3]robert h. bishop等 (作者),乔瑞萍 (译者)[m].labview实践教程.电子工业出版社.2014.06.